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        基于Flow3D的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沖刷防護數(shù)值模擬研究

        2021-11-12 01:51:58駱光杰詹懿德沈曉雷
        水力發(fā)電 2021年8期
        關(guān)鍵詞:深度模型

        駱光杰,詹懿德,葛 暢,沈曉雷,郭 健

        (1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311100;2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 3111002;3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021)

        0 引 言

        隨著人們環(huán)保意識的加強,傳統(tǒng)能源的利用有了越來越多的限制,因此無污染可再生的新型能源成了各國能源發(fā)展的重點。風(fēng)能蘊藏量大,分布廣泛,永不枯竭,在沿海及邊遠(yuǎn)地區(qū)與其他能源相比具有明顯優(yōu)勢。我國《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出,預(yù)計2021年前,我國風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機總量將超過2.1億kW。近海地區(qū)有豐富的風(fēng)能資源,因此海上風(fēng)電項目成為了我國風(fēng)能發(fā)展的主力軍。但近海地區(qū)水流條件復(fù)雜,沖淤變化大,海上風(fēng)機的穩(wěn)定性會受到局部沖刷的影響。因而研究風(fēng)機基礎(chǔ)的沖刷防護措施對海上風(fēng)電項目的發(fā)展有重要意義。

        海上風(fēng)電項目中大多使用結(jié)構(gòu)簡單,占地面積小,適用范圍廣的單樁基礎(chǔ)。對于單樁基礎(chǔ)的沖刷防護,國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究:王炎等[1]通過數(shù)值模擬,提出了一種新型的V形防沖刷擋板,可有效減弱樁基處沖刷作用;黃永江等[2]通過數(shù)值模擬的方法研究了環(huán)翼型擋板不同安裝位置對沖刷防護結(jié)果的影響,認(rèn)為在1/3水深處防護效果最佳;張萬鋒等[3]通過水工試驗研究了擋板數(shù)量對沖刷防護結(jié)果的影響,結(jié)果表明加裝擋板能有效減小沖坑深度及范圍;陳艷梅等[4]通過試驗與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了3種不同形狀的環(huán)翼擋板對沖刷防護作用的影響,結(jié)果表明板尾端寬度為45 mm的防護作用最佳;成蘭艷等[5]通過試驗研究了擋板不同延伸對沖刷結(jié)果的影響,結(jié)果表明延伸長度與樁基半徑相同時防沖刷效果顯著。但較多學(xué)者僅考慮防護板對水流垂向水力特征的影響[6-7],對于貼近泥面的圓形防護板的防護效果及機理的研究較少。

        以江蘇竹根沙300 MW海上風(fēng)電場項目的地質(zhì)及水文勘探結(jié)果為依據(jù),采用Flow3D軟件對不同尺寸圓形防護板下的單樁基礎(chǔ)局部沖刷進行了數(shù)值模擬研究,分析不同條件下單樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷形態(tài)的變化情況,以期為海上風(fēng)電后期沖刷防護設(shè)計提供參考。

        1 項目區(qū)水文地質(zhì)條件

        江蘇竹根沙300 MW海上風(fēng)電場項目預(yù)建成50臺4.0 MW風(fēng)電機組和17臺6.0 MW風(fēng)電機組。工程采用單樁基礎(chǔ),單根鋼管樁直徑5.5~6.4 m,入土深度約50 m。該工程地處江蘇岸外輻射沙洲區(qū)域,屬正規(guī)半日潮區(qū),淺海分潮比較明顯。根據(jù)工程場區(qū)及周邊各站實測潮流資料,工程場區(qū)大潮期間漲潮平均流速在0.48~0.66 m/s之間,落潮平均流速在0.32~0.71 m/s之間;中潮期間漲潮平均流速在0.40~0.47 m/s 之間,落潮平均流速在0.33~0.53 m/s之間;小潮期間漲潮平均流速在0.33~0.42 m/s之間,落潮平均流速在0.30~0.35 m/s之間。

        項目區(qū)地域?qū)贋I海相沉積地貌單元,海底灘面地形高程由南向北逐漸降低。本文所參考的某次地質(zhì)勘察結(jié)果顯示:勘察區(qū)域海底高程-7.60~-1.50 m,場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主??紤]到實際風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)建設(shè)場地及潮流沖刷作用深度的影響,本文選取表層粉砂作為數(shù)值模擬中的沖刷土層,該土層的顆粒組成如表1所示。

        表1 表層粉砂顆粒組成

        2 單樁基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)值模型

        2.1 單樁基礎(chǔ)沖刷防護三維數(shù)值模型

        本試驗以6.0 MW風(fēng)機單樁基礎(chǔ)為例,其設(shè)計參數(shù)為:鋼管樁全長63 m,入土深度46 m,直徑6 m。由于本文僅研究單樁基礎(chǔ)的沖刷防護,且項目區(qū)潮流流速較小,因而不考慮鋼管樁的壁厚,整體視作實心圓柱樁,此外入土深度與水面以上樁長均不做精確界定。單樁基礎(chǔ)的防護設(shè)施采用圓形防沖刷板,板的直徑初步設(shè)定為36 m,厚0.3 m??紤]到具體工程中,防護措施布設(shè)在泥面交界處之上,且與泥面有一定距離,故數(shù)值模擬時該圓形防護板被設(shè)定在泥面以上0.2 m處,整體模型示意見圖1。

        圖1 單樁基礎(chǔ)及防護設(shè)施數(shù)值模型示意

        2.2 模型區(qū)域及條件

        根據(jù)Dargahi[8]和Sarker[9]對橋墩沖刷的研究,如果橋墩的直徑為D,那么在橋墩下游13D及兩側(cè)4.5D處,橋墩繞流的影響將不再存在。因此,本試驗?zāi)M區(qū)域的下游長度取78 m,兩側(cè)的寬度取27 m。模型入口處水流為均勻流,為了保證樁前水流的充分發(fā)展和初始段土層不被沖刷殆盡,樁前長度取13D(即78 m),Z方向土層深度取7 m,模型高度取15 m。綜上所述,整個計算域大小為162 m × 60 m× 15 m。

        由前文所述水文地質(zhì)勘察資料可知,項目區(qū)最大流速為0.71 m/s,考慮該地平均海底高程,水深取4 m。土層采用各顆粒組成的平均粒徑,選取中間3組粒徑作為主要計算參數(shù),通過Flow3D自帶的沉積物沖刷模塊進行建模。其中,休止角取32°,密度取2 650 kg/m3,其他參數(shù)采用默認(rèn)值,同時沿豎直方向設(shè)置靜水壓強和重力加速度。模型整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并對鋼管樁附近進行加密,加密區(qū)域位于樁前后1.5D以及樁兩側(cè)D范圍內(nèi)。樁附近網(wǎng)格長度取為0.5 m,故加密區(qū)域網(wǎng)格大小為0.5 m ×0.5 m × 0.5 m。為了保證計算質(zhì)量,加密區(qū)域網(wǎng)格與外部網(wǎng)格大小之比不能超過1:3,因而外部網(wǎng)格長度取為1.5 m,網(wǎng)格過度區(qū)域采用漸變網(wǎng)格。對于豎直方向(Z向),由于整個計算域長度只有15 m,故均采用0.5 m網(wǎng)格。模型入口采用均勻流邊界,流速大小為0.71 m,方向沿X軸正向,并給定4 m水深。出口采用自由出流邊界,兩側(cè)采用對稱壁面邊界,底部采用壁面邊界,上部采用壓力邊界,給定流體體積分?jǐn)?shù)為零。模型的初始水位設(shè)定為4 m,并給予整體的水平初速度0.71 m/s。此外,為確保進出口的土顆粒不會被過度的帶離計算域,在進出口各布置了高度為7 m的擋板,整個模型具體如圖2所示。

        圖2 單樁基礎(chǔ)沖刷防護數(shù)值模型示意

        3 無防護設(shè)施時單樁基礎(chǔ)沖刷數(shù)值模擬結(jié)果

        3.1 模型可靠性驗證

        為了驗證本文模型的準(zhǔn)確性,將上述條件下數(shù)模所得流場與Melville等[10]經(jīng)典試驗進行對比。圖3a為經(jīng)典試驗情況下,距離床面0.4H(H為初始水深)處平面的流場示意,圖3b為數(shù)值模擬距離床面0.4H處平面流速矢量。對比兩圖可以看出,數(shù)值模擬單樁基礎(chǔ)樁前繞流及樁后的尾渦與經(jīng)典試驗基本相合。

        圖3 單樁基礎(chǔ)沖刷對比

        3.2 單樁基礎(chǔ)沖刷過程分析

        實際情況下,沖刷是隨著時間緩慢發(fā)展的一個復(fù)雜三維問題。在模型試驗中,沖刷也表現(xiàn)為一個隨沖刷歷時動態(tài)變化的過程。隨著流態(tài)趨于穩(wěn)定,沖刷也趨于穩(wěn)定,整個過程計算歷時較短,根據(jù)沖刷深度的演變情況,本文將整個沖刷過程分為3部分,各沖刷過程中床面形態(tài)及沖刷深度值如圖4~6所示。

        圖4 開始階段無防護設(shè)施時樁處單樁基礎(chǔ)沖刷過程數(shù)值模擬結(jié)果

        圖5 發(fā)展階段無防護設(shè)施時樁處單樁基礎(chǔ)沖刷過程數(shù)值模擬結(jié)果

        圖6 穩(wěn)定階段無防護設(shè)施時樁處單樁基礎(chǔ)沖刷過程數(shù)值模擬結(jié)果

        從圖4~6可以看出:①在沖刷開始階段,單樁基礎(chǔ)局部沖刷首先在樁側(cè)發(fā)育,在空間上呈現(xiàn)對稱分布。樁前沖刷不明顯,樁后具有較長段的堆積沙丘,此時最大沖刷深度為0.449 m。②在沖刷發(fā)展階段,樁兩側(cè)沖刷坑進一步發(fā)育,沖刷坑范圍向樁前發(fā)展,樁后堆積沙丘更加明顯,范圍進一步向兩側(cè)增大,且長度也有所增加。沙丘起始點緊鄰樁后,外圍與來流方向近似平行。該階段最大沖刷深度為0.899 m。③在沖刷穩(wěn)定階段,由于來流流態(tài)與沖刷坑形態(tài)都趨于穩(wěn)定,整個沖刷模型將不再發(fā)生變化。此時的穩(wěn)定最大沖刷深度為1.099 m。樁兩側(cè)沖刷坑已完全發(fā)展至樁前,呈現(xiàn)對稱分布的橢圓階梯狀,在空間上為馬蹄形。樁前段具有小范圍堆積沙丘且沖刷不太明顯,這是由于本文所給定的來流速度較小,樁前下潛水流強度較弱。樁后堆積沙丘的范圍達到最大,整個沙丘在空間上呈現(xiàn)兩側(cè)堆積高度略高,中間較低的分布形態(tài),各沙丘分界線與來流方向近似一致。

        綜上,在實際工程中需要重點考慮樁側(cè)的沖刷坑深度及樁后堆積沙丘的范圍,以此對單樁基礎(chǔ)周圍進行整體沖刷防護設(shè)計。

        4 設(shè)置防護設(shè)施后數(shù)值模擬結(jié)果

        4.1 局部沖刷形態(tài)變化分析

        以直徑為36 m的圓形防沖刷板為例,對比分析防沖刷板設(shè)置前后,單樁基礎(chǔ)局部沖刷的沖刷坑形態(tài)及最大沖刷深度變化,所得結(jié)果見圖7。從圖7可以看出,有防護板情況下,單樁基礎(chǔ)附近沖刷坑的發(fā)育得到了極大的抑制,最大沖刷深度為0.130 m,約為無防護板時的11.8%。這與防護板的設(shè)置高度有較大關(guān)系,本文按照工程實際,在緊鄰泥面處設(shè)置了圓形防護板,由于被考慮為剛性擋板,故該板能有效阻擋來流。在防護板與泥面之間的小間隙內(nèi),水流流速快速減緩,使得單樁基礎(chǔ)前出現(xiàn)堆積體。隨著堆積體的范圍不斷加大,形成了對來流的進一步阻擋,因而單樁基礎(chǔ)附近沖刷深度大幅度減小。該堆積體的存在,類似于形成了“雙排橋墩”模式,對后排工程樁基礎(chǔ)能起到較好的沖刷保護作用[11]。在防護板前后邊緣可以看到有明顯的堆積,在實際工程中可能會隨著各方向來流的變化及時間的推移逐漸增加,從而改變單樁基礎(chǔ)與泥面交界處的地形,影響單樁基礎(chǔ)后期穩(wěn)定。因而在實際防護板施工過程中,前后堆積體對單樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響,防護板與泥面的小間隙內(nèi)堆積體的形態(tài)及水流特性對局部沖刷形態(tài)的影響等問題都值得深入研究。

        圖7 沖刷穩(wěn)定階段模型局部沖刷三維形態(tài)對比

        4.2 防護板大小對沖刷防護的影響

        考慮到防護板應(yīng)該足夠大使得板內(nèi)泥面出現(xiàn)的堆積體能進一步減輕后方單樁基礎(chǔ)的沖刷,且防護板前后邊緣堆積體對單樁基礎(chǔ)的影響進一步減小,本小節(jié)選取直徑為30、33、36、39、42 m的圓形防護板進行數(shù)值模擬分析,所得各尺度防護板下,單樁基礎(chǔ)局部沖刷最大沖深見圖8。

        圖8 不同直徑圓形防護板下單樁基礎(chǔ)沖深對比

        從圖8可以看出,整體上,防護板的設(shè)置能非常有效地限制單樁基礎(chǔ)局部沖刷的程度,最大沖刷深度都在0.127 m左右,約為無防護板情況下沖刷深度的11.6%。這說明當(dāng)防護板尺度較大,上游來流較小時,過于加大防護板尺寸是沒有必要的。進一步,防護板直徑為36 m時,最大沖刷深度最大,為0.13 m,隨著直徑的增大或減小,最大沖深都有著減小的趨勢,但變化不大。因此,對于圓形防沖刷板的設(shè)置,在樁周局部沖刷為工程上可接受的情況下,可以選擇較小的尺寸,亦達到相類似的效果。

        5 結(jié) 論

        以江蘇竹根沙300 MW海上風(fēng)電場項目為研究背景,采用Flow3D軟件對不同尺寸圓形防護板下的單樁基礎(chǔ)局部沖刷進行了數(shù)值模擬研究,得到了以下主要結(jié)論:

        (1)無防護板時,單樁基礎(chǔ)局部沖刷可分為沖刷開始階段、沖刷發(fā)展階段及沖刷穩(wěn)定階段3個階段,各階段對應(yīng)的最大沖刷深度分別為0.449、0.899 m和1.099 m。

        (2)設(shè)置直徑為36 m的圓形防沖刷板后,在防護板與泥面之間的小間隙內(nèi),水流流速快速減緩,使得單樁基礎(chǔ)前出現(xiàn)堆積體,從而對來流產(chǎn)生進一步阻擋,單樁基礎(chǔ)附近沖刷坑范圍及深度大幅度減小,最大沖刷深度約為無防護板時的11.8%。

        (3)直徑超過30 m的防護板都能顯著限制單樁基礎(chǔ)周圍的局部沖刷程度,最大沖刷深度都在0.127m左右。其中,36 m防護板所對應(yīng)的最大沖刷深度最大,為0.13 m,變化不大。因而實際工程中,在樁周局部沖刷為工程上可接受的情況下,可以選擇較小尺寸的圓形防護板。

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